城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能類型與內(nèi)涵研究

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簡介： 雖然人類城市化速度在不斷加快，但人類的生存和發(fā)展仍離不開自然界。城市的存在不僅依賴于城市以外的生態(tài)系統(tǒng)，更需要城市內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)的支撐。城市生態(tài)系統(tǒng)不僅可以產(chǎn)生生態(tài)效益，同時(shí)可以帶來可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)揮著自然生態(tài)系統(tǒng)的功能。城市生態(tài)系統(tǒng)可分為行道樹、草地/公園、城市森林、耕地、濕地、湖/海和溪流等類型。生態(tài)系統(tǒng)的存在對城市的環(huán)境改善和可持續(xù)發(fā)展極為重要，其服務(wù)功能的研究可為城市總體規(guī)劃、城市土地利用等提供重要的基礎(chǔ)資料。
關(guān)鍵字：生態(tài)系統(tǒng) 城市生態(tài)系統(tǒng) 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能 可持續(xù)發(fā)展

1　引言

　　20世紀(jì)以來，人類的城市化速度在日漸加快。據(jù)1997年聯(lián)合國人居中心預(yù)測，到2030年全世界將有60%以上的人口居住于城市，2050年世界城市化水平達(dá)61%。因此，城市作為人類的聚集地已成為人類歷史發(fā)展的必然。但即使如此，人類的衣、食、住、行和從前一樣離不開自然界，城市也必須依賴于為其提供物質(zhì)與能量、并可接納其“代謝”廢物的生態(tài)系統(tǒng)才能存在。歐洲波羅的海沿岸地區(qū)的29個(gè)大型城市的研究表明[1]，任何城市生態(tài)支撐系統(tǒng)的面積至少為此城市面積的500～1000倍。但在城市化速度加快的同時(shí)，城市環(huán)境問題日益突出，自然環(huán)境受到嚴(yán)重破壞。社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和自然生態(tài)保護(hù)的矛盾使城市的發(fā)展面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。

　　1984年馬世駿等[2]提出了“社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)”的概念。城市是社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的具體體現(xiàn)。顯然，城市中的自然生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了城市的框架，是公眾健康和城市環(huán)境改善的基礎(chǔ)。城市生態(tài)系統(tǒng)對于城市內(nèi)區(qū)域性環(huán)境問題（大氣污染、噪聲等）的就地解決十分有效[1]。因此，城市生態(tài)系統(tǒng)功能的研究就顯得更加重要。一般來說，城市生態(tài)系統(tǒng)是由公園、河流、森林、農(nóng)田、果園苗圃、行道樹、廣場、屋頂花園和立體綠化等要素構(gòu)成的，是自然要素和人工要素共同組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]。本文重點(diǎn)從自然生態(tài)系統(tǒng)的角度分析了城市生態(tài)系統(tǒng)及其服務(wù)功能的類型與內(nèi)涵，并探討了其在評價(jià)和維持城市環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、城市總體規(guī)劃及土地利用中的重要性。

2　生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能

2.1　生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的概念與內(nèi)涵

　　自20世紀(jì)70年代以來，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能開始成為一個(gè)科學(xué)術(shù)語,并且成為生態(tài)學(xué)與生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的一個(gè)分支。Springer-Verlag首次使用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的“Service”一詞，并列出了自然生態(tài)系統(tǒng)對人類的“環(huán)境服務(wù)”功能，包括害蟲控制、昆蟲傳粉、漁業(yè)、土壤形成、水土保持、氣候調(diào)節(jié)、洪水控制、物質(zhì)循環(huán)與大氣組成等方面。稍后，在1981年，著名生態(tài)學(xué)家Ehrilship與 Holdren論述了生態(tài)系統(tǒng)在土壤肥力與基因庫維持中的作用，并系統(tǒng)地討論了生物多樣性的喪失將會(huì)怎樣影響生態(tài)服務(wù)功能，以及能否用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來替代自然生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能等問題[4]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能一詞很快地為生態(tài)學(xué)家所接受。

　　1997年Daily將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能定義為：生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用。并認(rèn)為它不僅為人類提供了食品、醫(yī)藥及其他生產(chǎn)生活資料，還創(chuàng)造與維持了地球生命支持系統(tǒng)，形成了人類生存所必需的環(huán)境條件[5]。

2.2　生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的類型劃分

　　1997年Robert Costanza等[6]在《自然》雜志上發(fā)表了“全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值和自然資本”，在世界范圍內(nèi)引起巨大反響。Costanza等將全球生態(tài)系統(tǒng)類型劃分為海洋、森林、草原、濕地、水面、荒漠、農(nóng)田、城市等16個(gè)大類26個(gè)小類；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃分為氣候調(diào)節(jié)、水調(diào)控、水土流失控制、物質(zhì)循環(huán)、污染凈化、文化娛樂價(jià)值等17種功能。以上17種服務(wù)功能類型基本上可以劃分為兩大方面：即生產(chǎn)和生活方面(見圖1)。

　　Costanza等通過測算全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能體現(xiàn)的自然資本價(jià)值，得到如下基本結(jié)論：整個(gè)生物圈每年產(chǎn)生的價(jià)值平均最少為33萬億美元，為全球GNP的1.8倍。這種價(jià)值構(gòu)成全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的一部分。有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價(jià)值結(jié)構(gòu)分析可參考宗躍光等[7]的研究。

3　城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能

3.1　城市生態(tài)系統(tǒng)的類型及其特點(diǎn)

　　生態(tài)系統(tǒng)是指一定范圍內(nèi)的生物體和它們周圍的非生物環(huán)境相互作用、共同組成的具有特定功能的綜合體。而城市是在人類不斷改造自然、適應(yīng)自然的過程中形成的人工—自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。實(shí)際上，與真正的自然生態(tài)系統(tǒng)相比，城市生態(tài)系統(tǒng)具有發(fā)展快、能量及水等資源利用效率低、區(qū)域性強(qiáng)、人為因素多等特征，因此并非發(fā)展成熟的自然生態(tài)系統(tǒng)。著名生態(tài)學(xué)家Odum[1]在1971年就曾提出“城市可以看作是生物圈的寄生蟲”。

　　在生態(tài)系統(tǒng)中最易混淆的就是不同生態(tài)系統(tǒng)之間邊界的劃分。城市生態(tài)系統(tǒng)也是如此，它既可能被看作是一個(gè)統(tǒng)一的大生態(tài)系統(tǒng)，又可能被分割為幾個(gè)獨(dú)立的小生態(tài)系統(tǒng)，如公園和湖。在具體研究中，可根據(jù)城市的大小、發(fā)達(dá)程度和其所處的氣候、地理?xiàng)l件等地域特征進(jìn)行相應(yīng)的城市生態(tài)系統(tǒng)分類。Per Bound等[1]根據(jù)瑞典斯德哥爾摩市具有大面積水域和綠地的特點(diǎn)，將城市生態(tài)系統(tǒng)分為以下7類：行道樹、草坪／公園、城市森林、耕地、濕地、湖／海和溪流。行道樹即沿街樹，經(jīng)常由硬化路面所包圍環(huán)繞；草坪／公園指那些由草、大樹和其他植被混合而成的需要管理的綠色區(qū)域，包括操場和高爾夫球場在內(nèi)；城市森林是指比公園樹林覆蓋度更大的需要少量管理的區(qū)域；耕地和花園可種植和提供各類食物和花卉；濕地由各類沼澤和低濕地區(qū)組成，在各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中貢獻(xiàn)最大；湖／海指那些大面積的開闊水域；溪流是那些流動(dòng)的水體的總稱。以上分類系統(tǒng)幾乎囊括了城市中出現(xiàn)的所有自然生態(tài)系統(tǒng)，因此可適合于任何城市。城市中其他地區(qū)（垃圾場或廢荒地、廣場等）也可能含有一定的植物與動(dòng)物群落，但這些系統(tǒng)完全可以包含在上述7類中，只是可根據(jù)研究區(qū)域的具體特征及城市本身的特點(diǎn)在具體工作中加以重點(diǎn)考慮。例如，在我國河北省石家莊市空氣達(dá)標(biāo)方案研究中，結(jié)合規(guī)劃目標(biāo)和石家莊市自身特點(diǎn)，除以上7類外，還增加了干河道、護(hù)岸樹2類。

3.2　城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的內(nèi)涵及類型

　　從圖1可以看出，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的內(nèi)涵可包括有機(jī)質(zhì)的合成與生產(chǎn)、生物多樣性的產(chǎn)生與維持、調(diào)節(jié)氣候、營養(yǎng)物質(zhì)貯存與循環(huán)、土壤肥力的更新與維持、環(huán)境凈化與有害有毒物質(zhì)的降解、植物花粉的傳播與種子的擴(kuò)散、有害生物的控制、減輕自然災(zāi)害等許多方面。而在城市生命支持系統(tǒng)中，以下6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能至關(guān)重要：凈化空氣（大氣調(diào)節(jié)）、調(diào)節(jié)城市小氣候、減低噪聲污染、降雨與徑流的調(diào)節(jié)、廢水處理（廢物處理）和文化娛樂價(jià)值。

3.2.1　凈化空氣

　　由于工業(yè)生產(chǎn)、交通和供暖所導(dǎo)致的空氣污染，是城市最主要的環(huán)境問題之一。尤其是那些位置低洼、污染物不易擴(kuò)散、清潔生產(chǎn)技術(shù)不發(fā)達(dá)的城市。眾所周知，植被可以吸收大氣污染物，具有明顯的減輕大氣污染、凈化空氣的作用，但其凈化程度取決于城市當(dāng)?shù)氐臈l件[8]。植被凈化空氣最初是從葉片對空氣中污染物和顆粒物的過濾開始的，其次才進(jìn)行吸收。過濾能力隨葉片面積的增加而增加，因此樹木的凈化能力要高于草地與灌木。針葉具有最大的比表面積，而且冬季空氣污染最嚴(yán)重時(shí)針葉樹葉不脫落，因此針葉樹比落葉樹的過濾能力更強(qiáng)。但是，針葉樹對大氣中污染物卻較為敏感，而闊葉樹對硫化物SOx（如SO２）、氮氧化物（NOx）、鹵化物等污染物的吸收力很強(qiáng)[1]。因此，行道樹、公園、城市森林等的結(jié)構(gòu)以種植針、闊混合林時(shí)效果最好，植被比水或空曠地有更強(qiáng)的凈化空氣能力。植被的布局和結(jié)構(gòu)也會(huì)影響凈化能力，過于密集的植被又會(huì)引起大氣紊流。Bernazky曾報(bào)道，在公園中空氣污染物近85%被過濾吸收，而林蔭道上只有70%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，100hm2的混合林每年可從空氣中移走15 t顆粒物，而同等條件下純云杉林可達(dá)30～40 t之多[1]。可見，在城市各類生態(tài)規(guī)劃中必須注意植被種類的搭配、區(qū)域的布局、結(jié)構(gòu)的配置等問題。

3.2.2　調(diào)節(jié)城市小氣候

　　城市會(huì)影響所在地區(qū)的氣候甚至氣象。據(jù)有關(guān)研究統(tǒng)計(jì)[9]，我國廣東省廣州市區(qū)與周邊郊區(qū)相比，氣溫高出7.2℃，空氣濕度則低于郊區(qū)，風(fēng)向和風(fēng)速也由于市內(nèi)建筑、道路等原因發(fā)生很大改變。此類城市熱島效應(yīng)，正是由于城市內(nèi)存在大面積的吸熱表面(硬化路面、建筑物等)，以及大量使用能源而引起的。

　　城市內(nèi)所有的自然生態(tài)系統(tǒng)均有助于熱島效應(yīng)的緩減。水環(huán)境不論冬季還是夏季都可減少溫度偏差。植被對此的作用也不容忽視。1株成年大樹每天就可蒸發(fā)近450 L水,這些水需消耗1000 MJ的熱量才可自然蒸發(fā)出來[1]。因此，城市樹木可明顯降低城市夏季溫度。通過夏季遮蔭、冬季減小風(fēng)速，植被還可減少能源使用，改善空氣質(zhì)量。有關(guān)資料表明，就供暖和降溫所耗能源費(fèi)用而言，美國芝加哥市區(qū)每增加10%的森林覆蓋率，每一居民單元每年就可減少50～90美元。而且，樹木長遠(yuǎn)效益的現(xiàn)值估價(jià)大約為其費(fèi)用現(xiàn)值估價(jià)的2倍之多[6]。

3.2.3　降低噪聲污染

　　交通、機(jī)械等原因造成的噪聲問題影響著城市居民的健康。據(jù)估計(jì)，消除噪聲所需費(fèi)用占國民生產(chǎn)總值的0.2%～2%。瑞士對此制訂的長遠(yuǎn)目標(biāo)是：噪聲最高值在市區(qū)外為55 db，市區(qū)內(nèi)為30 db。

　　影響噪聲強(qiáng)度有2個(gè)因素：首先是噪聲源距離，每增加1倍距離可降低噪聲3db；其次是地面特性，據(jù)研究表明，柔軟的草坪比水泥步行街的噪聲低3 db；同時(shí)，其他植被也可降低噪聲：不小于5 m寬的密集灌木林可降低噪聲2 db，而50 m寬的森林可降低噪聲3～6 db；100 m寬的密集植被僅可降低噪聲1～2 db[1]。

　　雖然可以采取各種措施來降低噪聲，比如加設(shè)隔聲墻或隔聲玻璃，但玻璃僅限于室內(nèi)，而隔聲墻又會(huì)影響城市景觀，因此最佳方式是進(jìn)行城市生態(tài)規(guī)劃與建設(shè)，加強(qiáng)綠化建設(shè)。

3.2.4　調(diào)節(jié)降雨與徑流

　　表面覆有水泥、柏油等的基礎(chǔ)建筑物，由于表面密實(shí)、堅(jiān)硬，使大部分降水匯成地面徑流，且由于攜帶市區(qū)污水而使水質(zhì)發(fā)生惡化。而植被可以通過各種途徑來解決這一問題。植被根系深入土壤，使土壤具有更強(qiáng)的滲透性，根系吸收水分后植物葉片以蒸騰的方式將水分釋放到空氣中，增加了大氣濕度，從而調(diào)節(jié)降雨和徑流；植被還能減緩水流速度，減少洪水危害。研究表明，有植被的地段僅有5%～15%的雨水流失，其余的或蒸發(fā)或滲透到地面；相反，無植被的地段60%的雨水流入了暴雨污水溝[1]。據(jù)Andrew F，Seidl等[10]對巴西Pantanal地區(qū)的研究表明，此類調(diào)節(jié)功能價(jià)值占生態(tài)系統(tǒng)功能總價(jià)值的30.07%。因此，對地理?xiàng)l件處于有暴發(fā)洪水危險(xiǎn)、自然條件又較差的城市，植樹造林的環(huán)境效益會(huì)更加顯著。

3.2.5　廢水處理

　　城市廢水處理量極大，例如瑞典斯德哥爾摩的廢水處理企業(yè)每年處理近1.5億m3廢水[1]，花費(fèi)很大。而且廢水處理中所產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)，又會(huì)引起周圍水域生態(tài)系統(tǒng)的富營養(yǎng)化問題。由于濕地內(nèi)生物可吸收大量營養(yǎng)物質(zhì)，并且可減慢污水流速，使顆粒物質(zhì)沉淀于底部，近96%的氮和97%的磷可滯留于濕地內(nèi)。這樣，既可以增加生物多樣性，又減少了廢水處理的費(fèi)用。

　　在全球范圍內(nèi)，各種不同濕地已被用來處理大量不同的廢水，并且取得很顯著的效果。根據(jù)白曉慧等[11]的研究結(jié)果表明，2種人工濕地均可有效去除SS和BOD5，并且也可有效去除氮、磷，出水可達(dá)Ⅲ類水域(適用于集中式生活飲用水水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)、一般魚類保護(hù)區(qū)及游泳區(qū))的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過濕地恢復(fù)削減單位氮的費(fèi)用只有2.5～7.5美元，而通過廢水處理廠所需費(fèi)用卻達(dá)4.125～43.75美元[1]。這些數(shù)據(jù)并不包括濕地的其他效益，例如生物量和生物多樣性。因此，濕地在全球水循環(huán)系統(tǒng)中有著重要作用，具有“地球之腎”的美稱[12]。

3.2.6　文化娛樂、社會(huì)價(jià)值

　　密集的人口環(huán)境、緊張的生活節(jié)奏使人們幾乎沒有時(shí)間和空間去休息和娛樂，人們覺得離自然越來越遠(yuǎn)。人只有在大自然中，頭腦才能更為靈活，思維才能更為敏捷，壓抑才能減輕，心理、生理病態(tài)和創(chuàng)傷才能愈合和康復(fù)。而且，綠色空間對于人類心理學(xué)研究十分重要，一個(gè)典型的例子就是對不同環(huán)境下人們對壓力的反應(yīng)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，暴露于自然環(huán)境下壓力水平會(huì)迅速下降，而在城市環(huán)境下壓力水平很高，甚至有不斷升高的趨勢。對醫(yī)院病人的研究也表明，居住于面向花園的病房中的病人比居住于病房面向建筑物的病房中的病人恢復(fù)速度快10%，所需強(qiáng)烈鎮(zhèn)痛藥也減少了50%[1]。綠色環(huán)境可增進(jìn)城市居民的身心健康，改善生存質(zhì)量。除植物以外，城市內(nèi)出現(xiàn)的動(dòng)物區(qū)系如鳥和魚，也可以給人們帶來可觀的美學(xué)、文化價(jià)值。此外，生態(tài)系統(tǒng)還可以改善城市景觀，而且某些生態(tài)系統(tǒng)具有科學(xué)研究價(jià)值。城市生態(tài)系統(tǒng)的某些植物(如地衣)具有指示、監(jiān)測城市環(huán)境質(zhì)量的功能。從Costanza等[6]的研究結(jié)果可知，以上兩部分占到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價(jià)值的10%。

４　結(jié)語

　　城市生態(tài)系統(tǒng)具有各種不同的服務(wù)功能，所有服務(wù)功能都同步進(jìn)行。從表1中可以看出，所有生態(tài)系統(tǒng)均有助于氣候的調(diào)節(jié)，并可提供文化娛樂價(jià)值。濕地在各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中都起到作用，而且在各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值統(tǒng)計(jì)中占首位。

表1 城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能統(tǒng)計(jì)[1]

 林蔭樹草坪／公園森林耕地濕地溪流湖海

凈化空氣

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小氣候調(diào)節(jié)

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削減噪聲

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調(diào)節(jié)徑流

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廢水處理

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娛樂文化價(jià)值

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　　在城市總體規(guī)劃與土地利用分析中，必須仔細(xì)考慮各類生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)域配置和各類服務(wù)功能的結(jié)合。在此基礎(chǔ)上，利用生態(tài)規(guī)劃、生態(tài)設(shè)計(jì)和生態(tài)管理技術(shù)，將單一的生物、物理、經(jīng)濟(jì)環(huán)節(jié)和社會(huì)環(huán)節(jié)組合起來，形成一個(gè)有強(qiáng)大生命力的城市生態(tài)系統(tǒng)，并利用法律手段來高效利用土地、資源與能源，加強(qiáng)城市系統(tǒng)的生存適應(yīng)能力、生產(chǎn)進(jìn)化能力和生態(tài)整合能力，兼顧社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。只有這樣，城市的可持續(xù)發(fā)展才可能實(shí)現(xiàn)。

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